清潔型焦?fàn)t自動調(diào)節(jié)技術(shù)

田曉蘭

(山西省化工設(shè)計院，山西 太原 030001)

1 清潔型焦?fàn)t控制手段的現(xiàn)狀

清潔型焦?fàn)t從2000年投入使用至今，雖經(jīng)過了多次的改道、升級，但改造與升級僅限于焦?fàn)t爐體、集氣管等部分，控制手段并沒有發(fā)生根本性的改變。焦?fàn)t最終的控制參數(shù)是焦?fàn)t各部分的溫度，焦?fàn)t炭化室和四聯(lián)拱的溫度最終決定了焦炭的結(jié)焦時間(在相同配合煤的情況下)。清潔型焦?fàn)t煉焦熱源來自于煉焦過程中揮發(fā)出的煤氣、焦油、苯等物質(zhì)在爐內(nèi)的燃燒，相應(yīng)部位配入空氣的多少控制著焦?fàn)t內(nèi)可燃成分的燃燒情況，同時決定著焦?fàn)t各部分的溫度。而焦?fàn)t各部分的進(jìn)風(fēng)量與進(jìn)風(fēng)時間是由焦?fàn)t上的進(jìn)風(fēng)門控制的。近幾年設(shè)計的焦?fàn)t，仍然采用手動控制的一次、二次風(fēng)門，煙道和集氣管上采用的閘板、閥門也僅僅是由手動改為電動，并沒有實現(xiàn)自動、聯(lián)動控制。一次風(fēng)門雖然采用上翻式、推拉式、旋轉(zhuǎn)式3種不同形式，但還需要調(diào)火工手動調(diào)節(jié)。二次風(fēng)門采用了上翻式、推拉式，也還仍然是手動控制。煙道和集氣管上的電動閥門或閘板只能對全爐的吸力整體調(diào)節(jié)，不能實現(xiàn)單孔控制，從而把焦?fàn)t限制在了一個較低的控制水平上。目前，各焦化企業(yè)使用的PLC、DCS等系統(tǒng)，在煉焦工段中只能起到自動檢測的作用，無法實現(xiàn)自動控制。

2 傳統(tǒng)控制手段的缺陷

1)一次風(fēng)門:一次風(fēng)門設(shè)置在爐頂，一般采用翻板式，操作工人在結(jié)焦的不同時期調(diào)節(jié)翻板開度。

2)二次風(fēng)門:四聯(lián)拱下部二次進(jìn)風(fēng)口為推拉式，操作工人在結(jié)焦的不同時期調(diào)節(jié)風(fēng)門開度。

3)上升管:上升管調(diào)節(jié)主要為插板磚。耐火磚為脆性材料，很難用機械結(jié)構(gòu)連接和控制。

4)集氣管和煙道:集氣支管的調(diào)節(jié)主要為閘板閥。集氣管內(nèi)部的高溫對閥門芯體材料的選用提出了很高的要求，并對閥門能否長期使用提出了挑戰(zhàn)。

集氣總管及煙道部位采用的調(diào)節(jié)手段主要為插板閥。插板閥比較笨重，尤其是與煙道及管道連接部分不易密封，影響閥門的使用壽命，降低煙氣溫度，從而影響發(fā)電。

以上幾種調(diào)節(jié)手段，開度的控制只能由調(diào)火工目測，并對照自動儀表檢測結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，這需要長期實踐經(jīng)驗的積累。而且，一旦配煤發(fā)生改變，又需要一定時間的摸索，無法實現(xiàn)準(zhǔn)確的可重復(fù)操作。這就意味著，焦?fàn)t控制手段還停留在手動控制階段，沒有實現(xiàn)自動控制。隨著環(huán)保、節(jié)能、生產(chǎn)管理等要求的提高，通過手動控制已無法實現(xiàn)更高的目標(biāo)。

3 自動控制的難點

與傳統(tǒng)機焦?fàn)t不同，QRD清潔型焦?fàn)t的加熱方式是直接加熱。也就是說，煉焦過程中揮發(fā)出來的可燃成分必須在爐內(nèi)完全燃燒。由于煉焦過程中可燃成分的揮發(fā)是無法人為控制的，因此不能像機焦一樣通過控制加熱用的煤氣來準(zhǔn)確控制爐體的溫度。

要控制可燃成分的燃燒，只能靠控制配入爐內(nèi)助燃的空氣量及配入時間來調(diào)節(jié)。配入空氣量應(yīng)該保證可燃成分完全燃燒，同時不能因配入過多的冷空氣而使廢氣溫度降低，否則會影響后續(xù)的發(fā)電效率。所以，配入的空氣量不易做到準(zhǔn)確。配入空氣的時間和入口也很關(guān)鍵，把握不好會造成爐體部分區(qū)域溫度過高，使?fàn)t體損壞。

要控制首先要檢測，而高溫段測量儀表既昂貴又易損。目前，采用的高溫測溫儀表為鉑銠合金，外部有金剛砂的保護(hù)殼。該測溫儀表雖然耐高溫，但當(dāng)在水平安裝時會因重力和高溫的共同作用而使儀表變形損壞。

局部高溫難以預(yù)測與控制。爐內(nèi)可燃成分燃燒時流體做湍流運動，配風(fēng)只能在固定的配風(fēng)口配入，很難做到混合均勻，易造成焦?fàn)t某點局部燃燒過于猛烈而產(chǎn)生局部高溫。一旦耐火材料不能承受湍流和高溫的共同作用，就會造成爐體損壞。

高溫流通通道的密封問題。集氣管、煙道、爐體內(nèi)部都為高溫區(qū)域，在此區(qū)域的耐火材料存在膨脹問題，故需設(shè)置多處膨脹縫。膨脹縫密封一般采用不定形耐火材料，如耐火纖維板、纖維棉、纖維繩等。這就意味著，此處不可能完全密封，可能存在局部漏氣。而一旦發(fā)生漏氣，就會與殘留的可燃成分發(fā)生混合燃燒，造成局部高溫。嚴(yán)重時，使?fàn)t體損壞。

高溫控制點的材質(zhì)選用。高溫段控制需要采用非金屬材料，此種材料因脆性或不定形而不易做成堅固的控制體。即使做成板狀加筋等形式，也容易在長期使用中損壞。一旦發(fā)生損壞，則不易維修。

4 自動控制的可行性與實現(xiàn)

4.1 自動調(diào)節(jié)的可行性分析

要想準(zhǔn)確地控制焦?fàn)t各部分的溫度，必須對焦?fàn)t各部分的燃燒情況加以控制。如果能準(zhǔn)確地掌握各時間段內(nèi)配合煤揮發(fā)物質(zhì)的產(chǎn)量和組成，就有可能通過配入合適的空氣實現(xiàn)焦?fàn)t的穩(wěn)定操作?？上葟呐浜厦簾捊惯^程中產(chǎn)生的可燃成分入手，繪制出配合煤的揮發(fā)分隨時間的變化曲線，參照此曲線，繪制出配風(fēng)曲線，并對此曲線進(jìn)行實踐驗證。校正后，再應(yīng)用到實踐中。

4.2 自動調(diào)節(jié)手段的實現(xiàn)

4.2.1 自動調(diào)節(jié)閥門的應(yīng)用及低溫段調(diào)節(jié)理念

一次風(fēng)門可以采用電動閥門。爐頂?shù)囊淮物L(fēng)門開口高出爐頂150 mm～200 mm，是冷態(tài)區(qū)域(即低溫段控制)，現(xiàn)有的自動閥門完全可以滿足自動調(diào)節(jié)的要求。也可以把爐頂各風(fēng)門用管道連接起來，用統(tǒng)一的閥門實現(xiàn)調(diào)節(jié)。

二次風(fēng)門在四聯(lián)拱下部，也可以采用類似的手段實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。例如，可以改變目前二次風(fēng)門入口的方形為圓形，加裝鑄鐵管道，引出爐體外部，在冷段用閥門進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。

一次、二次風(fēng)門的調(diào)節(jié)必須做好揮發(fā)可燃成分與空氣的合理調(diào)配，使可燃成分在爐內(nèi)完全燃燒。但也不能過多地配入冷空氣，否則會影響廢氣的溫度，進(jìn)而影響發(fā)電。

此外，盡量通過砌筑、放置調(diào)節(jié)磚使整爐吸力均勻，并在廢氣換熱后的冷段用風(fēng)機控制吸力，以達(dá)到低溫控制的目的。自動調(diào)節(jié)閥門如圖1所示。

圖1 自動調(diào)節(jié)閥門

4.2.2 高溫段檢測與控制

高溫段也需設(shè)置一些調(diào)節(jié)手段。但高溫段調(diào)節(jié)只用于開工或煤種有重大變化的情況，正常生產(chǎn)時盡量不使用高溫段調(diào)節(jié)。因此，要求使用質(zhì)量更高、穩(wěn)定性更好的高溫閥門，以保證爐體系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定，從而保證低溫段調(diào)節(jié)手段的靈敏性和可重復(fù)性。

煉焦揮發(fā)物具有不可控制性，要達(dá)到精確的控制，需要相當(dāng)穩(wěn)定的熱源。所以，我們在設(shè)計焦?fàn)t時采用了一些改進(jìn)措施，使不同結(jié)焦時間的單孔焦?fàn)t可以相互利用多余的可燃成分，實現(xiàn)焦?fàn)t的穩(wěn)定操作。

5 技術(shù)發(fā)展與展望

1)完善清潔型焦?fàn)t理論計算與控制體系

目前，山西省化工設(shè)計院正在與天津大學(xué)合作進(jìn)行QRD清潔型焦?fàn)t仿真模擬研究，通過應(yīng)用軟件(ANSYS)建立爐體三維仿真模型，對爐體的熱力學(xué)及流體動力學(xué)進(jìn)行分析，總結(jié)出各種不同情況下爐體內(nèi)的燃燒情況、溫度場分布、壓力場分布等數(shù)據(jù)。以此為理論依據(jù)，繪制相應(yīng)的配風(fēng)曲線，作為焦?fàn)t配風(fēng)調(diào)節(jié)的基準(zhǔn)。不久之后，我院設(shè)計的江西東鄉(xiāng)QRD焦?fàn)t即將裝煤出焦。屆時，我們將基于這種最新爐型進(jìn)行配風(fēng)實驗，總結(jié)出一套合理的配方方案。

2)改熱態(tài)調(diào)節(jié)為冷態(tài)調(diào)節(jié)

將調(diào)節(jié)手段都設(shè)置在冷態(tài)條件下，即在一次、二次風(fēng)門處設(shè)置調(diào)節(jié)閥，對焦?fàn)t進(jìn)行調(diào)節(jié)。以配風(fēng)曲線為基準(zhǔn)，焦?fàn)t各部分溫度為檢測值，用自動閥門進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。如在熱段的上升管處可以采用調(diào)節(jié)磚，集氣支管處用電動閥門，煙道(或集氣總管)處也使用電動閥門。但熱態(tài)調(diào)節(jié)手段只在煤種或操作情況有重大調(diào)整時使用，正常生產(chǎn)時維持不變。這樣既能保證焦?fàn)t操作的穩(wěn)定性，又能保證冷態(tài)調(diào)節(jié)的靈敏性與精確性。

預(yù)計的控制邏輯圖如圖2。

圖2 控制輯邏圖

3)在實現(xiàn)焦?fàn)t配風(fēng)的精確控制下，可以考慮焦?fàn)t配風(fēng)的預(yù)熱，通過焦?fàn)t爐底散熱孔散出的熱量加熱入爐空氣。既可以節(jié)能，又能提高廢氣發(fā)電量。

［1］姚昭章.煉焦學(xué)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2004.

［2］王樹青.先進(jìn)控制技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2001.